CN113798654A - 一种非晶合金的摩擦连接方法和块体非晶合金 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及非晶合金焊接技术领域,特别是涉及一种非晶合金的摩擦连接方法和块体非晶合金,该摩擦连接方法包括以下步骤,S1、采用至少两个待焊接的非晶合金棒,清洁各个非晶合金棒的表面;S2、将S1处理后的各个非晶合金棒并排放置且使相邻非晶合金棒的侧面相切接合;S3、在气氛环境下,使相邻非晶合金棒之间相对轴向自转,对各个非晶合金棒施加端面径向的压力以使各个非晶合金棒共同挤压一起,对各个非晶合金棒施加超声振动,使各个非晶合金棒与其相邻的非晶合金棒摩擦连接,直至各个非晶合金棒之间成型连接,该非晶合金的摩擦连接方法能使各非晶合金棒在轴向方向上焊接成型块体非晶合金,且该焊接工艺具有容易操作的优点。

Description

一种非晶合金的摩擦连接方法和块体非晶合金
技术领域
本发明涉及非晶合金焊接技术领域,特别是涉及一种非晶合金的摩擦连接方法和块体非晶合金。
背景技术
非晶合金因其独特的原子结构及优异的力学性能,在航空航天、3C数码、军事装备、生物医疗等高新技术领域有着重要的潜在应用价值。但非晶合金的形成大块体的能力有限,难以进行大尺寸制备,导致其广泛运用受到严重制约。
近年来,随着先进制造技术的发展,出现了利用非晶合金在其过冷液相区的超塑性变形进行大块非晶合金制备的思路,以取代传统非晶合金成分试错法研究以制备非晶合金的尺寸限制。
摩擦焊接是常用的金属构件或塑料制品的焊接模式,其利用样品接触界面的升温互溶从而形成连接,因此将摩擦焊接用于制造大块非晶合金是有效的途径。例如,专利CN201910479872.3公开了一种非晶合金构件的加工方法,将非晶合金进行摩擦生热加工和快速冷却,得到非晶合金产品,该方法利用非晶合金在过冷液相区粘滞阻力降低的特点对其进行加工;专利CN200910010651.8公开了一种非晶合金与异质金属材料搅拌摩擦连接方法,该方法通过搅拌摩擦焊接的方法在非晶合金过冷液相区进行连接加工,使块状非晶合金与异质金属材料搅拌连接的方法。专利CN200810230192.X公开了一种提高铝-锆基非晶合金搅拌摩擦焊接头强度的方法,该方法根据不同的焊接工艺参数对焊接工具位置进行变换,并相应地调整前进侧材料和焊接工具轴线与焊缝距离,使焊缝两侧材料产生协调流变,从而获得理想的焊缝组织与稳定的接头性能。虽然上述摩擦焊接的方法能实现非晶间、非晶与异种金属间的互连,但是该摩擦焊接的方法仍存在不足之处:常规的摩擦焊接均存在产热不均匀,从而导致连接强度不高,尤其是需要在大幅面上焊接时,常因为大幅面摩擦不均,因而导致无法实现大尺寸非晶合金的焊接。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种非晶合金的摩擦连接方法,该非晶合金的摩擦连接方法能使各非晶合金棒在轴向方向上焊接成型块体非晶合金,且该焊接工艺具有容易操作的优点。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
提供一种非晶合金的摩擦连接方法,包括以下步骤,
S1、采用至少两个待焊接的非晶合金棒,清洁各个非晶合金棒的表面;
S2、将S1处理后的各个非晶合金棒并排放置且使相邻非晶合金棒的侧面相切接合;
S3、在气氛环境下,使相邻非晶合金棒之间相对轴向自转,对各个非晶合金棒施加端面径向的压力以使各个非晶合金棒共同挤压一起,对各个非晶合金棒施加超声振动,使各个非晶合金棒与其相邻的非晶合金棒摩擦连接,直至各个非晶合金棒之间成型连接。
上述步骤的工作原理:采用非晶合金棒作为起始原料,非晶合金棒之间能在轴向面通过自转来相互摩擦,轴向接触面小从而便于产热均匀,且轴向接触面跨度大从而便于非晶合金棒在轴向方向连接,有效增加连接接触面,而多根非晶合金棒连接在一起则能构成大块非晶合金棒以便于在大块非晶合金棒上加工成型其他制品。
其中,通过非晶合金棒之间相对自转、非晶合金之间的相互挤压力来使各个非晶合金棒间相互摩擦挤压产生热量升温,当温度升至各个相邻非晶合金棒的交叉过冷液相区所对应的温度,此时能使非晶合金棒产生超塑性形变;超声振动不但使超塑性形变较好地流动,实现不同非晶合金棒间的一次性连接成型,且超声振动提高了非晶合金所处的能量状态以及有效地均化非晶合金棒接触界面的温度分布,增加能量输入,有效的提高连接性能。
进一步地,所述S3中,将各个非晶合金棒放置在温升空间内以对各个非晶合金棒加热,所述温升空间的加热温度是各个非晶合金棒的交叉过冷液相区所对应的温度。温升空间能精准控制非晶合金连接成型过程中的温度及升温速率,更好地在各非晶合金棒交叉过冷液相区所对应的温度中实现各非晶合金棒连接。同时,温升空间可以提供非晶合金连接时所需的气氛环境,例如避免由于氧气的参与导致材料氧化性能降低等。
进一步地,所述非晶合金棒的侧面加工有微结构,优选地,微结构是若干个V型凹口。V型凹口使得斜面的摩擦度增加,便于增大热量的产生。
进一步地,所述S3中,使所述非晶合金棒顺时针自转或逆时针自转以使相邻非晶合金棒之间相对轴向自转,这样就便于操作非晶合金棒自转,而无需保持各非晶合金棒保持同一转向。
进一步地,各个非晶合金棒之间的直径尺寸相同或不相同。非晶合金棒之间的直径尺寸可相同或不相同,使得各类的非晶合金棒都能有效地连接在一起。
进一步地,各个非晶合金棒的排列方式为其中一根非晶合金棒置于中部,其他非晶合金棒围绕位于中部的非晶合金棒并且与位于中部的非晶合金棒的侧面相切,这样能设置多个非晶合金棒,利用形成更大块的非晶合金棒。
进一步地,所述气氛环境是真空环境、氮气、氩气、空气或纯氧气中的一种,该气氛环境能防止焊接过程中发生晶化。
进一步地,所述温升空间的升温模式是电磁感应加热、放电等离子体加热、气氛加热中的一种。
进一步地,所述S3中,超声振动方向包括与所述端面径向的压力方向相反和相同的方向。超声振动方向与端面径向的压力在同一直线上,从而能较好地分散压力。
本发明的一种非晶合金的摩擦连接方法的有益效果:
(1)本发明采用非晶合金棒作为起始原料,非晶合金棒之间在轴向面上通过自转来相互摩擦,而轴向接触面小以便于产热均匀,且轴向接触面跨度大从而便于非晶合金棒在轴向方向连接,有效增加连接接触面,而多根非晶合金棒连接在一起则能构成大块非晶合金棒以便于在大块非晶合金棒上加工成型其他制品。
(2)本发明通过非晶合金棒之间相对自转、非晶合金之间的相互挤压力来使各个非晶合金棒间相互摩擦挤压产生热量升温,当温度升至各个相邻非晶合金棒的交叉过冷液相区所对应的温度,此时能使非晶合金棒产生超塑性形变;超声振动不但使超塑性形变较好地流动,实现不同非晶合金棒间的一次性连接成型,且超声振动提高了非晶合金所处的能量状态以及有效地均化非晶合金棒接触界面的温度分布,增加能量输入,有效的提高连接性能。
(3)本发明的各非晶合金棒能独立自转以及能以独立的压力挤压在相切接合的非晶棒上,通过控制自转速度和挤压力能较好地调节控制各非晶合金转变为过冷液相的时间,以便与其相切接合的非晶合金棒能较好地接合。
(4)本发明的各非晶合金棒仅与一个非晶合金相切接合,焊接中不要求所有的非晶合金棒均具有交叉过冷液相区,仅需要相切接合的非晶合金棒之间具有交叉过冷液相区,有效地降低了焊接连接的难度。
还提供一种块体非晶合金,其采用上述的非晶合金的摩擦连接方法制成。
附图说明
利用附图对发明作进一步说明,但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制,对于本领域的普通技术人员,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是实施例1的一种非晶合金的摩擦连接时非晶合金棒排布的结构示意图。
图2是实施例2的一种非晶合金的摩擦连接时非晶合金棒排布的结构示意图。
图3是实施例3的一种非晶合金的摩擦连接时非晶合金棒排布的结构示意图。
图4是实施例4的一种非晶合金的摩擦连接时非晶合金棒排布的结构示意图。
附图标记:
非晶合金棒11、非晶合金棒12、非晶合金棒13、非晶合金棒14;非晶合金材料15、自转方向16、压力方向17、超声振动方向18、V型凹口19;温升空间20。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
本实施例公开的一种非晶合金的摩擦连接方法,如图1所示,采用非晶合金棒11、非晶合金棒12及非晶合金棒13,各非晶合金棒的组分均为Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5,Tg为349℃,Tx为426℃,各非晶合金棒的直径均为5mm。
调整各非晶合金棒的相对初始位置以使各非晶合金棒按图1所示的方式排布,非晶合金表面均进行除污及抛光处理。
借助系统,设定非晶合金棒的参数。其中,驱动非晶合金棒11的自转方向16是沿端面逆时针方向自转且自转速度为500rpm、非晶合金棒12的自转方向16是端面顺时针方向自转且自转速度为1000rpm以及非晶合金棒13的自转方向16是沿端面逆时针方向旋且转自转速度为500rpm;非晶合金棒11、非晶合金棒12及非晶合金棒13所受压力均为100N;非晶合金棒11、非晶合金棒12及非晶合金棒13所受超声频率均为16kHz,功率为2600W;各非晶合金在常温下工作,气氛为氩气保护状态;参数设定完成,启动系统开始工作,完成非晶合金棒11、非晶合金棒12及非晶合金棒13的一次性成型连接。
本实施例中,所述温升空间20的升温模式是电磁感应加热、放电等离子体加热、气氛加热中的一种,超声振动方向18包括与所述端面径向的压力方向17相反和相同的方向。
实施例2
本实施例公开的一种非晶合金的摩擦连接方法,如图2所示,采用非晶合金棒11、非晶合金棒12及非晶合金棒13,非晶合金棒11组分为非晶合金棒11组分为Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5,Tg为349℃,Tx为426℃,棒材直径为5mm;非晶合金棒12组分为Zr44Ti11Cu10Ni10Be25,Tg为350℃,Tx为471℃,棒材直径为2mm;非晶合金棒13组分为Zr58.5Nb2.8Cu15.6Ni12.8Al10.3,Tg为400℃,Tx为480℃,棒材直径为4mm;非晶合金棒14组分为Zr58.5Nb2.8Cu15.6Ni12.8Al10.3,Tg为400℃,Tx为480℃,棒材直径为2mm。
调整各非晶合金棒的相对初始位置以使各非晶合金棒按图2所示的方式排布,非晶合金表面均进行除污及抛光处理。
借助系统,设定非晶合金棒的参数。其中,驱动非晶合金棒11的自转方向16是沿端面顺时针方向自转且自转速度为400rpm、非晶合金棒12的自转方向16是沿端面逆时针方向自转且自转速度为1500rpm以及非晶合金棒13的自转方向16是沿端面逆时针方向自转且自转速度为800rpm、非晶合金棒14的自转方向16是沿端面逆时针方向自转且自转速度800rpm;非晶合金棒11和非晶合金棒12所受压力为100N,非晶合金棒13所受压力均为80N,非晶合金棒13所受压力均为60N;非晶合金棒11、非晶合金棒12、非晶合金棒13及非晶合金棒14所受超声频率均为20kHz,功率为1500W;温升空间设定工作温度为400℃,升温速率为20K/min,气氛为真空保护状态;参数设定完成,启动系统开始工作,完成非晶合金棒11、非晶合金棒12、非晶合金棒13及非晶合金棒14的一次性成型连接。
本实施例中,所述温升空间20的升温模式是电磁感应加热、放电等离子体加热、气氛加热中的一种,超声振动方向18包括与所述端面径向的压力方向相反和相同的方向。
实施例3
本实施例公开的一种非晶合金的摩擦连接方法,其与实施例1的不同之处在于如图3所示,中间添加了非晶合金材料15(组分为Zr44Ti11Cu10Ni10Be25,Tg为350℃,Tx为471℃)作为填充物,这样增大了非晶合金棒的接触面积,提高了连接强度,同时非晶合金材料14作为中间填充物连接至成型的大块非晶合金,非晶合金材料15可以是棒材形状,也可是粉末状。
实施例4
本实施例公开的一种非晶合金的摩擦连接方法,其与实施例1的不同之处在于如图4所示,非晶合金棒11、非晶合金棒12及非晶合金棒13表面均加工了微结构V型凹口20,增大了非晶合金棒材的接触面积,提高了连接强度。
最后应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种非晶合金的摩擦连接方法,其特征在于:包括以下步骤,
S1、采用至少两个待焊接的非晶合金棒,清洁各个非晶合金棒的表面;
S2、将S1处理后的各个非晶合金棒并排放置且使相邻非晶合金棒的侧面相切接合;
S3、在气氛环境下,使相邻非晶合金棒之间相对轴向自转,对各个非晶合金棒施加端面径向的压力以使各个非晶合金棒共同挤压一起,对各个非晶合金棒施加超声振动,使各个非晶合金棒与其相邻的非晶合金棒摩擦连接,直至各个非晶合金棒之间成型连接。
2.根据权利要求1所述的非晶合金的摩擦连接方法,其特征在于:所述S3中,将各个非晶合金棒放置在温升空间内以对各个非晶合金棒进行控温,所述温升空间的控温温度是各个非晶合金棒的交叉过冷液相区所对应的温度。
3.根据权利要求1所述的非晶合金的摩擦连接方法,其特征在于:所述非晶合金棒的侧面加工有微结构。
4.根据权利要求1所述的非晶合金的摩擦连接方法,其特征在于:所述S3中,使所述非晶合金棒顺时针自转或逆时针自转以使相邻非晶合金棒之间构成相对轴向自转。
5.根据权利要求1所述的非晶合金的摩擦连接方法,其特征在于:各个非晶合金棒之间的直径尺寸相同或不相同。
6.根据权利要求1所述的非晶合金的摩擦连接方法,其特征在于:各个非晶合金棒的排列方式为其中一根非晶合金棒置于中部,其他非晶合金棒围绕中部的非晶合金棒并且与中部的非晶合金棒的侧面相切。
7.根据权利要求1所述的非晶合金的摩擦连接方法,其特征在于:所述气氛环境是真空环境、氮气、氩气、空气或纯氧气中的一种。
8.根据权利要求1所述的非晶合金的摩擦连接方法,其特征在于:所述温升空间的升温模式是电磁感应加热、放电等离子体加热、气氛加热中的一种。
9.根据权利要求1所述的非晶合金的摩擦连接方法,其特征在于:所述S3中,超声振动方向包括与所述端面径向的压力方向相反和相同的方向。
10.一种块体非晶合金,其特征在于:采用权利要求1-9任一项所述的非晶合金的摩擦连接方法制成。
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